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差速器是汽車傳動系的重要總成，而差速器齒輪又是差速器的關鍵零件，它的可靠性直接影響汽車整車的質量。但差速器作為汽車零部件中一個較小的總成，只有部分學者對它單獨進行了設計、分析。蔣法國等分析了差速器行星齒輪彎曲強度，得出隨著齒根圓角半徑的增大齒根應力逐漸減小的結論；李維國等運用ABAQUS作為求解器，對差速器齒輪進行有限元分析；鄭慧林基于有限元法進行了微型車驅動橋結構分析及疲勞壽命預測研究；ANDREWSJD利用有限元法進行了齒輪應力的分析并通過光彈性試驗進行了驗證；H.VonEiff等研究了齒形對齒輪應力的影響。本研究基于有限元技術和疲勞壽命方法，進行了差速器齒輪強度分析及疲勞壽命預測。
隨著齒輪精鍛技術的發(fā)展，轎車差速器齒輪大量采用精鍛工藝。相對于傳統齒輪，精鍛齒輪的尺寸更小、強度更高，所以傳統齒輪設計中采用的設計及校核方法顯得相對保守。為了更準確地對齒輪進行幾何設計和強度分析，使用先進的CAE工具對齒輪進行相關參數設計和強度分析顯得愈加重要。對于汽車差速器錐齒輪副來說，在大多數情況下，汽車左右輪是等速或接近等速的，行星齒輪和半軸齒輪相對接近靜止，因此，行星齒輪經常只是起等臂推力桿的作用，彎曲強度應為主要考慮因素。基于CAD/CAE一體化技術，本研究有限元軟件選用ANSYS。該軟件和UG軟件可無縫連接，在UG的主菜單中添加了ANSYS菜單項。在UG中生成齒輪三維模型后，直接點擊ANSYS菜單項，進入ANSYS界面，然后選擇單元類型、單元尺寸、材料屬性等困。所建差速器行星齒輪、半軸齒輪的有限元模型如圖所示。齒輪加載方法有2種：1)在齒輪輪轂加載等效力矩，此時位移的約束需施加在齒頂部位；2)將齒輪所承受的轉矩轉化為單齒嚙合最高點所承受的線性分布力。研究的差速器行星齒輪的加載方式選擇后者。載荷沿齒面接觸線的分布是決定齒輪應力的基礎，因此，精確確定載荷沿齒面接觸線的分布狀態(tài)，對于齒輪強度分析具有十分重要的意義。
錐齒輪承受的轉矩轉化到單齒最高嚙合線上的載荷不是均勻分布的。直齒錐齒輪齒面接觸線載荷自大端逐漸向小端減小，但并不是呈精確的線性關系，而是略呈拋物狀。在接近兩端處，接觸線載荷急劇下降，這是邊界效應所致(一般鍛造齒輪通過齒面修形可避免邊界效應)，但是影響范圍不大。在接觸中間段載荷分布比較均勻，雖非直線分布，但在進行計算時可以近似作線性載荷處理，不會帶來較大誤差。錐齒輪的受力如圖所示。本分析的齒輪是對稱零件，因此，建立了行星齒輪和半軸齒輪單齒的有限元模型來進行分析。其中行星齒輪單齒有限元模型共有2982個節(jié)點、2211個實體單元；半軸齒輪單齒有限元模型共有2414個節(jié)點、1659個實體單元。齒輪單齒有限元模型如圖所示。約束行星齒輪內圈的所有自由度，將圓周力Fx=3.52xe4N、徑向力Fz=1.36xe4N、軸向力Fy=9.1xe3N近似作線性載荷處理，按照比例施加在單齒嚙合的最高點處。計算所得有限元結果如圖所示。由圖可得：行星齒輪單齒最大彎曲應力為1697MPa，出現在齒根處，符合行星錐齒輪的破壞多出現在齒根的實際情況。用同樣的求解方法可以得到半軸齒輪的有限開分析。由圖可得：半軸齒輪單齒最大彎曲應力為1699MPa，出現在齒根處，符合半軸齒輪破壞多出現在齒根的實際情況。
由于本課題所研究的差速器齒輪是需要承受疲勞載荷的結構，且最大應力都未達到屈服極限，因此，本研究選擇了簡單實用且成熟的總壽命分析法對齒輪的疲勞壽命進行分析。
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